中國鋼鐵行業二氧化碳排放達峰路徑研究

汪旭穎，李 冰，呂 晨，管志杰，蔡博峰，雷 宇*，嚴 剛

1.生態環境部環境規劃院,北京 100012

2.冶金工業規劃研究院,北京 100013

鋼鐵行業是國民經濟和社會發展的重要基礎產業，也是我國重要的CO2排放源[1-3].新中國成立以來，我國鋼鐵行業實現了跨越式發展，在現代化建設進程中發揮了不可替代的支撐和推動作用.尤其是2000年以來，我國鋼鐵行業迅猛發展，產品產量快速增長.2000 年以來的國家統計年鑒數據顯示，我國粗鋼、生鐵產量年均增速分別為11.1%、10.0%，2020 年產量分別達到10.65×108、8.9×108t[4]；我國粗鋼產量在全球總產量中的占比從15%增至57%，生鐵產量占比從23%增至63%[5].由于規模體量大和其生產工藝特性[6]，我國鋼鐵行業CO2排放貢獻突出.據測算，我國鋼鐵行業能源活動中CO2排放量占全國CO2排放量的15%左右[1,7-9]，是僅次于電力行業的碳排放大戶.

“十一五”以來，我國積極在鋼鐵行業推行節能減排戰略，尤其是“十三五”時期，鋼鐵行業深入推進供給側結構性改革，節能降耗、超低改造等工作取得了積極進展，噸鋼綜合能耗持續下降.中國鋼鐵工業協會統計數據顯示，2020 年，我國重點鋼鐵企業噸鋼綜合能耗為545.27 kg/t(以標準煤計)，比2015 年下降了4.9%.盡管如此，當前我國鋼鐵行業作為資源能源密集型產業的屬性仍未改變.長期以來，我國鋼鐵行業生產方式以長流程煉鋼為主，對鐵礦石資源以及煤炭、焦炭等能源高度依賴，導致資源能源消耗突出.2020 年，我國電爐鋼產量占粗鋼產量的比例僅為10%左右，相較于美國(71%)、歐盟(42%)以及全球平均水平(26%)存在較大差距；煉鋼廢鋼比僅為22%，也顯著低于美國、歐盟、日本等發達國家和地區的水平(30%～70%).

面對實現2030 年前碳達峰和2060 年前碳中和的總體要求，國內資源和環境約束將逐步趨緊，加之全球綠色競爭力主導權爭奪日趨激烈，我國鋼鐵行業傳統的資源能源密集型生產方式正面臨嚴峻挑戰.同時，多項研究[10-16]表明，作為世界上最大的鋼鐵生產和消費國，我國鋼鐵行業未來仍將保持較高位運行，給碳排放控制進一步帶來壓力，行業綠色低碳轉型已迫在眉睫.一些基于資源能源視角的鋼鐵行業發展預測和研究[8-9,17]表明，未來我國廢鋼資源供給將逐步增加，有利于推動鋼鐵行業生產結構進一步調整，電爐鋼占比將逐步提升，鋼鐵行業CO2排放量可顯著下降.此外，近年來關于氫能煉鋼和二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)等技術的討論逐漸增多[18-26]，為未來鋼鐵行業低碳乃至零碳發展提供了展望空間.Ren 等[2]通過將可計算一般均衡(CGE)模型與自下而上的技術選擇模塊相結合，以我國鋼鐵行業2050年實現碳中和為目標，對行業低碳轉型路徑進行了研究，認為長期來看顛覆性技術的應用、電爐鋼占比的提升以及能源供應部門的低碳化發展將對行業碳減排起到重要作用.李新創等[27]基于2 ℃和1.5 ℃的全球溫控目標，從降低需求、能效提升、創新工藝等方面分別對我國鋼鐵行業低碳轉型路徑進行了分析，并預測了不同路徑的減排貢獻.

鋼鐵行業加快綠色低碳轉型、盡早實現碳達峰并有效降碳，既是行業自身高質量發展的內在需要，也是支撐落實國家碳達峰、碳中和目標的客觀要求.該文開展基于情景分析的鋼鐵行業CO2排放達峰路徑研究，綜合考慮經濟社會發展、資源能源利用、工藝結構調整、低碳技術應用等因素影響，測算了我國鋼鐵行業CO2未來排放趨勢，分析了影響鋼鐵行業碳排放的主要驅動因素，識別了推動鋼鐵行業碳排放盡早達峰的關鍵舉措，以期為制定國家碳達峰、碳中和總體要求下的鋼鐵行業CO2排放控制策略提供參考.

1 方法與數據

1.1 技術路線

為系統研判鋼鐵行業發展趨勢、CO2排放達峰時間、峰值以及達峰實現路徑，該研究構建了包含產量預測模塊、控制情景模塊以及排放分析模塊的研究框架，對不同階段鋼鐵行業發展情景和CO2排放變化趨勢進行預測分析，以支撐鋼鐵行業CO2排放達峰路徑的研究和判斷，總體技術路線見圖1.

圖1 我國鋼鐵行業達峰路徑研究技術路線Fig.1 Approach framework of the carbon peak pathway study for China's iron and steel industry

該研究中鋼鐵行業CO2排放測算范圍包括燃料燃燒排放、工業生產過程排放等直接排放以及凈購入使用的電力、熱力等間接排放，CO2總排放包括直接排放和間接排放兩部分，CO2排放量計算方法如式(1)～(3)所示.產量強化政策情景，并對相應情景下的粗鋼產量進行預測.

式中：Emitotal為 鋼鐵行業的CO2總排放量，t； Emid和Emiind分別為鋼鐵行業CO2直接排放量和間接排放量，t；EFcomb,i、EFindu,j、 EFind,k分別為鋼鐵行業燃料燃燒相關過程i、工業生產相關環節j以及外購電力、熱力過程相關環節k的CO2排放因子；Ai、Aj、Ak分別為相應環節的燃料消費量、產品產量以及凈購入電力或熱力值.

1.2 行業發展預測方法

首先，該研究基于市場需求視角，不考慮產量控制政策的影響，采用消費系數法和分部門預測法兩種方法對2021?2035 年我國粗鋼產量進行預測，分別形成高需求情景和低需求情景2 個情景.其中，消費系數法[28](即高需求情景)立足于我國工業化發展所處階段，綜合參照“十二五”和“十三五”期間我國單位GDP 鋼材消費系數的變化情況，結合對我國2021?2035 年經濟社會發展的宏觀形勢判斷(基于筆者所在團隊內部行業達峰系列研究成果，相關參數取值見表1)，對未來鋼材消費量及粗鋼產量開展預測；分部門預測法(即低需求情景)采用基于物質流分析的自下而上的多部門預測分析方法，按照房屋建筑、機械、汽車、基建、家電等分類對不同部門鋼材消費需求分別開展預測，各類產品用鋼強度、生命周期等參數根據已有研究[9,13,29]選取.其次，在上述2 個市場需求情景的基礎上，從產能產量控制、產品替代、標準提升、進出口調節等角度考慮產量強化控制政策的影響，建立高需求-強化控產和低需求-強化控產2 個對應的

表1 我國粗鋼產量預測相關經濟社會發展參數取值Table 1 Assumed values of economic and social development parameters related to crude steel production prediction in China

對于未來廢鋼資源量，根據中國工程院基于社會鋼鐵蓄積量折算方法下的廢鋼產出量評估結果[30]，并結合廢鋼進口形勢判斷綜合確定.隨著我國鋼鐵積蓄量的持續增長[30-31]，未來廢鋼產出量將進一步增加，2025 年和2030 年我國廢鋼資源年產出量預計分別為2.7×108～3×108和3.2×108～3.5×108t.考慮到再生鋼鐵原料進口已于2021 年初放開，未來國內廢鋼資源將進一步通過進口得到補充.參考廢鋼進口量歷史最大值為2009 年的1 369×104t，筆者預計2021?2025年廢鋼進口量在1 000×104t 左右，2030 年之后或達到2 000×104t.綜合判斷，預計到2025 年、2030 年我國廢鋼資源供給量將分別在3.0×108和3.6×108t左右，分別為2020 年的1.2 和1.5 倍.

1.3 情景設置

排放控制情景設計模塊以CO2排放控制措施相關參數為設計變量，設計一般排放控制情景與強化排放控制情景2 類.其中，一般排放控制情景設計原則為鋼鐵行業CO2排放控制力度保持當前水平不變；強化排放控制情景的設計原則為綜合考慮資源基礎、技術成熟度、經濟可行性等因素，從加大廢鋼資源利用、推進電爐短流程煉鋼、提高系統能效水平、部署低碳前沿技術等方面對鋼鐵行業CO2排放加強控制，同時，考慮電力行業低碳發展對鋼鐵行業CO2間接排放的影響(2021?2035 年電力行業CO2排放績效預測值基于行業達峰系列研究成果確定，見文獻[32])對行業CO2排放量進行測算.將上述2 類CO2排放控制情景與1.2 節所述4 個產量情景相對應，共計得到8 個鋼鐵行業碳排放情景，情景設置原則見表2.將一般排放控制情景對應的4 個情景分別命名為高需求-一般控排、低需求-一般控排、高需求-強化控產-一般控排、低需求-強化控產-一般控排，強化排放控制情景對應的4 個情景分別命名為高需求-強化控排、低需求-強化控排、高需求-強化控產-強化控排、低需求-強化控產-強化控排.其中，不同情景的2021?2030 年煉鋼廢鋼比取值根據相應情景下的粗鋼產量和廢鋼資源量預測結果確定，其他控制措施相關參數取值綜合考慮鋼鐵行業“減污降碳”治理現狀、國家相關政策導向以及業內專家對相關低碳技術發展動向的預測等確定.

表2 鋼鐵行業碳排放情景設置原則Table 2 Setting principles of the 8 emission scenarios for the iron and steel industry

1.4 碳排放分析方法

排放分析模塊基于粗鋼產量和廢鋼資源量預測結果以及CO2排放控制情景對相關措施參數的設定，對不同情景下鋼鐵行業CO2排放變化趨勢進行測算，并對各類控制因素的潛在減碳貢獻進行動態評估，識別影響鋼鐵行業碳排放的主要驅動因素.在此基礎上，判斷鋼鐵行業CO2排放達峰形勢，篩選推動鋼鐵行業碳排放盡早達峰并有效減碳的關鍵舉措.

1.5 數據來源

該研究基準年為2020 年，研究時段為2021?2035 年，CO2排放趨勢分析與控排效果評估以2021?2030 年為主.基準年鋼鐵行業產品產量、分類型能源消費量等活動水平數據來自國家統計局統計數據、全國第二次污染源普查數據以及國家環境統計數據等，能源活動及工業生產過程(主要包括熔劑使用、煉鋼降碳)等相關排放環節的CO2排放因子根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)以及國家發展和改革委員會公布的相關推薦系數[33-36]確定.

2 結果與討論

2.1 行業排放現狀和特征

基于該研究確定的CO2核算邊界和方法進行測算，2020 年我國鋼鐵行業CO2總排放量為18.1×108t，其中，直接排放16.0×108t，間接排放2.1×108t.CO2直接排放中，化石燃料燃燒、煉鋼降碳及熔劑使用產生的CO2排放量分別為14.5×108、1.1×108和0.4×108t.化石燃料燃燒引起的能源活動排放是鋼鐵行業最主要的碳排放來源，占鋼鐵行業CO2直接排放量和總排放量的比例分別為90.6%和80.1%.從不同生產工序的貢獻來看，鋼鐵行業CO2排放主要來自高爐煉鐵、燒結(球團)、轉爐煉鋼、煉焦等工序環節，上述工序環節的CO2排放占比分別為72%、13%、9%、5%左右(見圖2).由此可見，生鐵冶煉以及燒結(球團)、煉焦等鐵前工藝生產是當前我國鋼鐵行業CO2排放的重要貢獻源，減少長流程生鐵生產應作為鋼鐵行業源頭控碳的重點方向予以考慮.

圖2 2020 年我國鋼鐵行業CO2 排放構成Fig.2 Distribution for CO2 emissions of China's iron and steel industry in 2020

2.2 行業發展預測結果

行業發展預測結果顯示，我國粗鋼產量當前已在高位徘徊，預計將在“十四五”時期達峰，之后逐步下降，但2030 年前總體仍將保持較高水平(見圖3).具體地，在高需求和高需求-強化控產情景設置下，我國粗鋼產量將在2025 年達峰，產量峰值分別為11.3×108和11.0×108t，2030 年粗鋼產量將分別降至10.5×108和10.0×108t；在低需求產量情景下，我國粗鋼產量將在2021 年達峰，產量峰值為10.7×108t，2030 年粗鋼產量將分別降至9.2×108t；在低需求-強化控產情景下，我國粗鋼產量在2020 年達峰，2030 年粗鋼產量將降至8.7×108t.

圖3 不同情景下我國粗鋼產量預測結果Fig.3 Prediction results of crude steel production under different scenarios in China

2.3 行業碳排放預測及達峰路徑

2.3.1 行業二氧化碳排放預測結果

不同情景下鋼鐵行業CO2排放預測結果見圖4.結果表明：一般排放控制情景下，鋼鐵行業CO2排放達峰趨勢與產量達峰趨勢保持一致.強化排放控制情景下，高需求-強化控排、低需求-強化控排、高需求-強化控產-強化控排以及低需求-強化控產-強化控排情景對應的鋼鐵行業CO2排放總量達峰時間分別為2024 年、2021 年、2022 年和2020 年，峰值為18.1×108～18.5×108t.具體地，高需求-強化控排情景下，鋼鐵行業碳排放在2021?2024 年處于峰值平臺期，CO2直接排放量和總排放量分別在2021 年和2024年達峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分別比峰值減少0.3×108、2.7×108t，CO2總排放量分別比峰值減少0.4×108、3.0×108t.低需求-強化控排情景下，鋼鐵行業CO2直接排放量和總排放量均將在2021年左右達峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分別比峰值減少2.2×108、5.0×108t，CO2總排放量分別比峰值減少2.5×108、5.6×108t.高需求-強化控產-強化控排情景下，鋼鐵行業CO2直接排放量和總排放量均將在2022 年達峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分別比峰值減少0.5×108、3.3×108t，CO2總排放量分別比峰值減少0.6×108、3.7×108t.低需求-強化控產-強化控排情景下，鋼鐵行業CO2直接排放量和總排放量均在2020 年達峰，到2025 年、2030 年，CO2直接排放量分別比峰值減少2.6×108、5.8×108t，CO2總排放量分別比峰值減少3.0×108、6.5×108t.

圖4 不同情景下我國鋼鐵行業CO2 總排放量變化趨勢對比Fig.4 CO2 emission trends of the iron and steel industry under different scenarios in China

2.3.2 不同影響因素下CO2減排效果動態評估

為識別未來鋼鐵行業的主要CO2減排驅動力，結合該研究對鋼鐵行業產量情景與碳排放強化控制情景的相關設置，以2020 年為基準年，對粗鋼產量變化、加大廢鋼利用(同時提高電爐鋼生產比例)、能效水平提升、外購電力清潔化、發展氫能煉鋼以及實施CCUS 等因素對鋼鐵行業CO2總排放量產生的影響進行分析，不同影響因素下的減排效果測算原則見表3.不同產量情景下，各類驅動因素對鋼鐵行業CO2排放的控制效果動態評估結果見圖5.

圖5 不同影響因素對鋼鐵行業CO2 減排效果的動態評估Fig.5 Dynamic evaluation results of CO2 emission mitigation effect of different factors on the iron and steel industry

表3 不同影響因素對鋼鐵行業碳排放影響的測算原則Table 3 Estimation principle on the effect of CO2 emission mitigations of different factors for the iron and steel industry

產量變化對鋼鐵行業碳排放的影響與產量預測情況緊密相關，在高需求產量情景和高需求-強化控產情景下，2025 年前，粗鋼產量仍將繼續增長，鋼鐵行業控碳壓力將進一步加大；2025 年后，隨著粗鋼產量逐步下降，產量變化將對鋼鐵行業CO2控排產生積極作用.在低需求產量情景和低需求-強化控產情景下，產量變化分別在2021 年和2020 年后對CO2控排產生正向作用.綜合4 個產量情景分析，到2025 年和2030 年，粗鋼產量變化對鋼鐵行業CO2總排放量的削減貢獻分別為?1.0×108～1.4×108t 和0.3×108～3.5×108t.

在其他影響鋼鐵行業碳排放的控制因素中，2021?2030 年期間，加大廢鋼資源利用、外購電力清潔化以及系統能效水平提升對鋼鐵行業CO2減排貢獻較為突出.評估結果顯示，在該研究的控制情景下，到2030 年，實施上述措施可實現的CO2減排量依次為1.7×108～2.4×108、0.5×108～0.6×108和0.3×108～0.4×108t.氫能煉鋼和CCUS 可實現的碳減排效果與相關技術發展情況緊密相關，根據該研究的情景設置，到2030 年，以上兩項措施可實現的CO2減排量相對較低，分別為0.1×108和0.01×108t 左右.

2.3.3 行業達峰路徑判定及措施建議

基于不同情景下鋼鐵行業碳排放趨勢(見圖4)判斷，我國鋼鐵行業CO2總排放量將在2020?2024 年達到峰值，行業CO2總排放量峰值為18.1×108～18.5×108t，直接排放量峰值為16.0×108～16.4×108t，達峰后到2030 年總排放量將下降3.0×108～6.5×108t，直接排放量將下降2.7×108～5.8×108t.總體而言，在高需求和高需求-強化控產情景下，即較長時期內粗鋼消費需求仍相對旺盛、粗鋼產量在“十四五”處于峰值平臺期的情況下，在現有力度基礎上進一步強化碳排放控制可推動我國鋼鐵行業碳排放達峰時間提前1～3 年，并推進2030 年行業CO2總排放量較一般排放控制情景分別減少2.3×108和2.5×108t；在低需求和低需求-強化政策的產量情景下，即當前粗鋼消費需求已近峰值、未來逐步降低的情況下，強化碳排放控制可推動我國鋼鐵行業碳排放達峰時間提前0～1 年，并推進2030年行業CO2總排放量較一般控制情景分別減少2.9×108和3.1×108t.

從各項人為控制措施的CO2減排潛力來看，加大廢鋼資源利用、外購電力清潔化以及提升系統能效水平的CO2減排效果最為突出，是有效降低鋼鐵行業碳排放的重要途徑.在該研究設定的強化排放控制情景下，到2025 年，上述3 類措施對行業CO2減排總量(與一般控制情景相比)的貢獻率分別為49%～69%、15%～27%和13%～22%；到2030 年，上述措施的減排貢獻分別為59%～72%、15%～22%和10%～15%.因此，圍繞落實碳達峰相關要求，2030 年前鋼鐵行業應重點從加大廢鋼資源利用力度、提升系統能效水平以及提高綠電使用比例等方面加快推進綠色低碳轉型發展；同時，著眼實現碳中和愿景的需要，應堅持短期與中長期工作相結合，加快推進氫能煉鋼、CCUS 等低碳前沿技術的部署.

3 結論

a) 基于情景分析的鋼鐵行業碳排放路徑研究顯示，我國鋼鐵行業CO2將于“十四五”時期達峰并在之后逐步下降，可為全國實現碳達峰目標發揮重要貢獻.鋼鐵行業CO2總排放量有望在2020?2024 年期間達到峰值，行業CO2總排放量峰值為18.1×108～18.5×108t，直接排放量峰值為16.0×108～16.4×108t，達峰后到2030 年CO2總排放量將下降3.0×108～6.5×108t，直接排放量將下降2.7×108～5.8×108t.

b) 根據不同情景下我國鋼鐵行業CO2減排效果動態評估結果，粗鋼產量是決定我國鋼鐵行業碳排放能否快速達峰的關鍵，加大廢鋼資源利用、推進外購電力清潔化和提高系統能效水平是鋼鐵行業實現碳排放達峰和有效降碳的重要途徑，氫能煉鋼和CCUS 等前沿低碳技術在2030 年前對鋼鐵行業碳排放控制的貢獻作用相對有限.到2030 年，粗鋼產量降低、加大廢鋼資源利用、推進外購電力清潔化、提高系統能效水平以及氫能煉鋼和CCUS 等前沿技術對鋼鐵行業CO2減排貢獻分別為11%～52%、34%～52%、7%～20%、5%～13%和2%～3%.

c) 2030 年前，加大廢鋼資源利用是對鋼鐵行業降碳具有最突出貢獻的控制途徑，應充分發揮廢鋼對鐵礦石在鋼鐵冶煉過程中的原料替代作用，將其作為鋼鐵行業碳排放達峰行動的核心舉措加以推動實施.隨著社會鋼鐵蓄積量的逐漸增長，我國未來廢鋼資源供給量將逐漸增加，煉鋼廢鋼比具有較大提升空間，有利于推進鋼鐵資源循環回收利用和生產方式低碳轉型.到2030 年，我國煉鋼廢鋼比有望提高到33%～40%，加大廢鋼資源利用可帶動鋼鐵行業實現CO2減排1.7×108～2.4×108t 左右.實施電爐短流程煉鋼是提高廢鋼資源利用水平、削減鋼鐵行業碳排放的重要手段，同時也是減少污染物排放的重要措施.建議應統籌考慮減污降碳要求和區域資源能源條件，加快推進我國電爐短流程煉鋼工藝發展，優化調整鋼鐵產業結構和空間布局，尤其加強對京津冀及周邊地區等重點區域的短流程煉鋼布局和部署，推動“降碳”與“減污”進一步協同增效.